塔克拉玛干沙漠腹地风蚀起沙特征观测研究

利用塔克拉玛干沙漠腹地塔中气象站2009—2018年的地面观测资料,分析塔中地区的风蚀起沙特征,结果表明:(1)塔中地区临界起沙风速呈明显的季节变化特征,夏季>春季>秋季>冬季,临界起沙风速介于4.47～4.92 m/s;(2)春、夏季是风蚀事件的多发季节,春、夏季沙尘水平通量的平均值分别为2638.9、3298.9 ...     

沙尘天气的数值预报

沙尘天气预报的核心问题是要理解沙尘天气形成的物理机制,并定量地描述风沙的分布、强度、输送与沉降.沙尘天气的形成是一个复杂的物理过程,涉及到大气运动与地表状况等诸多因素.作者介绍了一个以数值预报为核心、以卫星观测与地理信息系统为资料背景的沙尘天气集成预报系统,特别是其中的起沙模式.作者运用该系统预报了2002年春季的沙尘天气,并用天气观测和采样观测资料对预报效果进行了鉴定.分析表明,预报系统不仅能定性预报沙尘天气的空间分布与时间演变,而且能定量预报沙尘源地、大气中的沙尘浓度、沙尘的输送以及沉降.模式72 h的预报仍然有较高的可信度.另外讨论了存在的问题和今后的研究方向.       

北京地区沙尘天气气溶胶飞机观测特征

利用3次沙尘天气期间的气溶胶飞机观测资料,分析了北京地区在3种沙尘天气下气溶胶垂直分布特征。结果显示:逆温层的存在对扬沙个例的垂直分布有影响。数密度谱的分布基本呈单调递减,但边界层内扬沙、浮尘和沙尘暴个例都在0.13~0.3μm间存在峰值,而扬沙个例在0.8μm,浮尘个例在6.5μm以及沙尘暴个例在2.8和6.5μm处出现次峰值。沙尘中细粒子的有效直径是人为源气溶胶粒子的4到10倍。浮尘天气整个粒子谱宽从近地面层开始随高度先增大后减小,到3000m达到最大,这与高空输送有关;扬沙个例沙尘粒子谱分布显示近地面层大于50μm段粒子谱无论数浓度还是谱宽都明显高于浮尘和沙尘暴个例,这与扬沙是局地大风扬尘引起有关;沙尘暴个例谱宽在接近云底达到最大,说明大粒子已经被携带到一定高度,与蒙古气旋云系的上升运动有关。     

西北风沙起蚀观测试验及其研究进展

简要阐述了国家自然科学基金“西北沙漠地表沙粒运移特性及动力热力参数研究”支持的“我国西北三大沙漠地表风蚀起沙观测试验”的科学意义、试验方案和科学目标,总结了该试验在前期取得的部分研究进展和研究成果,概括叙述了该项目在地表沙粒跃移特征、起沙风速、沙尘通量等方面的重要发现和一些新的认识。最后,提出并讨论了在沙漠风蚀起沙观测试验方面需要进一步研究和思考的一些重要问题。     

榆林沙尘天气的特点和观测记录

扬沙和沙尘暴使空气混浊 ,水平能见度降低。当水平能见度大于等于 1 .0 km而小于 1 0 .0 km时为扬沙 ,小于 1 .0 km为沙尘暴。沙尘天气是榆林地区春季的多发天气现象 ,当有冷空气入侵时 ,常由大风引起沙尘天气 ,其一般过程是 :扬沙—沙尘暴—浮尘。由于地理位置和下垫面的不同 ,榆林地区的沙尘天气有其自身的特点。1　外地沙源引发的大范围沙尘天气这种沙尘天气一般出现在春季有强冷空气入侵时 ,沙尘源地在我国西部沙漠甚至国外中亚地区的沙漠。它的演变遵循沙尘天气的一般规律。先由大风带来扬沙 ,有的加强成为沙尘暴 ,之后当风速逐渐减小…     

一个适用于我国北方的沙尘暴天气数值预测系统及其应用试验

将澳大利亚新南威尔士大学(UNSW)邵亚平发展的具有清晰风蚀物理学概念的起沙数值模式、输送模式与PSU/NCAR的中尺度气象预报模式MM5进行耦合,以高精度中国区域的GIS(Geographic Information System)数据为基础,建立了一个较完整的沙尘暴起沙和输送过程的预测系统.该预测系统可以预测地面起沙率和大气中沙尘浓度.在此基础上,采用该系统对2002年3～4月3次影响我国北方大部分地区的沙尘(暴)天气的起沙和输送过程进行了模拟试验.试验结果表明模拟的沙尘浓度与地面天气现象及卫星云图的沙尘天气范围比较一致,预测系统对沙尘天气的起沙和输送过程有较好的模拟能力.北方上述大范围沙尘天气的沙尘源地为蒙古国的南戈壁省、东戈壁省,内蒙古中西部,河北省北部,山西省东北部,甘肃和青海北部等地区.起沙中贡献最大的粒子粒径为2～11μm和11～22 μm,能够长时间、长距离输送的沙尘也是上述大小的粒子,沙尘粒子的垂直输送高度一般在500 hPa以下.     

巴丹吉林沙漠北缘沙尘天气过程中近地面气象要素变化及风沙流结构分析

提要：利用2013年春季在巴丹吉林沙漠北缘拐子湖地区的沙尘暴加强观测资料,对比分析该地区典型流动沙面晴天、扬沙和沙尘暴三种天气背景下各气象要素的变化特征及差异,同时对沙尘暴过程中近地层风沙活动特征进行分析。结果表明,随风速增加沙尘天气强度逐步提升且沙尘天气来临前风速、风向均表现出明显的调整现象,此后爆发过程中风速、风向相对稳定。随沙尘天气强度的增加气温逐渐减小且沙尘天气过程中地面呈利于沙尘起动的暖干状态,同时地面气压不断升高。悬浮的沙尘会导致拐子湖流动沙地各层地温有减小趋势,但减小程度相对较弱,使沙尘天气下各层地温仍保持良好的梯度变化和正弦型日变化趋势。拐子湖流沙地春季起沙风速为6.5m/s,输沙通量垂直分布状况在20cm左右具有明显的分段现象。地表100cm内总输沙量的50%和90%分别集中在地表20cm和56cm高度以内。观测期间整个5月地表0～100cm高度内的输沙通量为420.96kg/m。     

内蒙古科尔沁沙地起沙近地层动力学阈值的试验研究

利用内蒙古科尔沁沙地沙尘暴探测与监测试验站2008年和2009年春季沙尘和近地层观测资料,研究了不同沙尘天气条件下沙尘浓度随摩擦速度的变化规律,对比分析了不同天气(晴天、扬沙、沙尘暴和强沙尘暴)入射短波辐射和净辐射的演变,并利用两层高度沙尘浓度差,区分局地起沙和非局地起沙,有效地避免了沙尘水平输送引起的起沙阈值的低估。结果表明,起沙前,摩擦速度和沙尘浓度数值都较低;临近起沙阶段,摩擦速度迅速增大而沙尘浓度基本保持不变;起沙时,摩擦速度数值较高,沙尘浓度迅速增大;沙尘天气减弱阶段,沙尘浓度随摩擦速度近似呈线性减小。科尔沁沙地春季临界起沙摩擦速度u*t和临界起沙风速ut分别为0.62m.s-1和9.5m.s-1,扬沙、沙尘暴和强沙尘暴天气的起沙阈值依次略有增加。与晴天天气相比,沙尘天气到达地面的短波辐射和净辐射明显减少。     

几种起沙方案对东亚风蚀起沙模拟的比较

针对源区起沙的不确定性,整理并选取了国际上最具代表性的几种起沙方案,结合中尺度气象模式MM5V3．7输出的高分辨率气象资料,将其应用于东亚地区一次强沙尘暴天气过程的源区起沙模拟研究,利用地面观测实况和卫星监测图像资料,比较了它们对东亚起沙源的模拟效果和差异。结果表明,两种起沙方案的模拟效果较好且性能稳定。     

2006年春季一次引起华北地区强沉降的沙尘暴过程的模拟研究

2006年春季是我国北方地区2000年以来强沙尘暴过程最多的一年,浮尘和扬沙天气更是频繁发生.尽管,4月16～17日过程不是2006年春季最强的沙尘暴过程,但其在华北地区引起了严重的沉降,尤其对京津地区影响较大.这是一次由蒙古气旋引发的强沙尘暴过程.利用沙尘天气预测系统(IAPS 2.0)对该次强沙尘暴过程进行了模拟试验,结果表明:该系统对沙尘天气的起沙和输送过程有较好的模拟能力,基本模拟出了这次强沙尘暴的发生和移动;沙尘受对流层中低层偏西风的作用输送到华北地区,并从山东半岛越过渤海湾向东输送;主要的沙尘源地是蒙古国南部和我国西北的内蒙古、新疆西部、甘肃、陕西北部,而起尘最大的地区在蒙古国和内蒙古的沙漠、戈壁地区;沉降最严重的地区是沙尘源区及其附近,可达到50 g*m-2,其他地区的总沉降量在10 g*m-2左右.     

Review of the Field Measurements and Parameterization for Dust Emission During Sand-Dust Events

Dust emission generated by wind erosion is a basic process before the transport and deposition of dust particles. Parameterization of dust emission flux is important for accurate simulation and prediction of dust events. Field observation and numerical simulation are two approaches to understand the complex process of dust emission. Great progress has been made on the characteristics and mechanism of dust emission during dust storm events. This review introduces the major factors influencing dust emission and summarizes the calculation methods of several key parameters of dust emission, including the threshold friction velocity u.t, threshold wind speed Ut, streamwise saltation flux Q, and （vertical） dust emission flux F, from perspectives of both observation and parameterization. The paper also discusses the improvement, application, and validation of different dust emission schemes in dust models. Existing problems and future research directions are elaborated as well.     

气候变化对河北坝上地区草地土壤风蚀扬尘季节和年排放速率的影响

以全球气候模式NorESM1-M产生的RCP2.6、RCP4.5、RCP6.0、RCP8.5气候变化情景数据和原环保部推荐的土壤风蚀扬尘计算方法,模拟分析了未来气候变化对河北坝上砂粘壤土、粘壤土、壤粘土、砂壤土、砂粘土和风沙土草地土壤风蚀扬尘总可悬浮颗粒物(Total Suspended Particle,TSP)、PM10和PM2.5的季节及年排放速率的影响。结果表明:气候变化影响下坝上地区气温上升,年降水量和风速波动较大、并存在上升和下降的趋势。相比基准情景,在RCP2.6、RCP4.5、RCP6.0和RCP8.5情景下,各土壤风蚀扬尘TSP、PM10和PM2.5季节排放速率在春季分别高15%、47%、28%和46%;秋季分别高17%、54%、45%和38%;冬季分别低36%、42%、39%和44%;夏季,在RCP2.6情景下低1%,在RCP4.5、RCP6.0和RCP8.5情景下分别高14%、3%和7%;未来气候变化情景下,各土壤风蚀扬尘TSP、PM10和PM2.5年排放速率分别高25%、54%、35%和54%。基准和未来气候变化情景下,土壤风蚀扬尘TSP、PM10和PM2.5的季节和年排放速率及其差异从高到低均依次为砂粘壤土、风沙土、砂壤土、粘壤土、壤粘土和砂粘土。表明未来气候变化将使河北坝上地区草地土壤风蚀扬尘排放速率增加,但存在季节和气候变化情景方面的差异。     

敦煌戈壁地表风蚀起沙量的计算

利用三种不同的计算方案,根据敦煌地区的观测资料,计算了2002年4月8日沙尘天气过程中戈壁地表的风蚀起沙量(垂直尘粒通量)。结果表明:三种方法的计算结果比较接近;在风蚀起沙较严重的时段内,顺风向沙粒通量和垂直尘粒通量平均值的量级分别为10-4kg·m-1·s-1和10-8kg·m-2·s-1。通过计算结果和观测结果的比较,在地面风蚀起沙物理机制的基础上,讨论了三种计算方案各自的优缺点。     

沙尘暴过程中沙尘对流层-平流层输送的数值模拟初步分析

在初步明确东亚沙尘气溶胶对流层-平流层输送监测事实的基础上,利用观测资料、NCEP再分析资料以及基于中尺度天气模式MM5的数值模拟方法,对一次蒙古气旋沙尘暴过程中沙尘对流层-平流层输送问题进行了初步分析.结果表明:斜压不稳定是本次蒙古气旋发展的主要强迫要素,伴随气旋发展成熟,高空切断低涡的形成引导高空急流下落并诱发对流层顶折叠和高空位涡下传.对流层顶折叠区呈漏斗状,底部达500 hPa左右.高空急流产生近似垂直的下落,并在高空切断低涡的南侧和东侧达到最强.在对流层顶折叠区周边的300-500 hPa,上升气流与低涡区偏西、偏南、偏东气流叠加,或水平横穿折叠的对流层顶,或斜升并准垂直地穿过下落的对流层顶到达平流层,且随时间的推移,空气质点能够进一步抵达平流层中部(100 hPa).轨迹分析表明,沙尘天气区对流层低层的空气质点在气旋涡旋上升气流的驱动下呈气旋式盘旋上升,并在对流层高层形成分支,一支穿过对流层顶到达平流层,并在平流层向下游进行反气旋式螺旋运动,另一支则留在对流层高层并向下游进行准水平的气旋式螺旋运动.在高空位涡下传过程中,主要产生平流层到对流层的净输送;高空位涡停止下传之后则出现对流层到平流层的净输送,且强度随时间呈指数型增长.这一特征有利于形成更强的沙尘对流层平流层输送.     

地形影响沙尘传输的观测和模拟研究

文中基于观测资料和数值模拟方法,研究了东亚地形对中国沙尘传输的影响,结果表明:东亚地区沙尘天气多发区主要位于中国南疆盆地和内蒙古西部及蒙古南部.南疆盆地沙尘天气集中在盆地南缘;而蒙古、内蒙古西部沙尘天气主要出现在沙漠腹地.青藏高原东北侧到黄土高原中部是沙尘天气次多发区.蒙古、内蒙古西部沙漠腹地多发区的形成不仅由于这里提供了丰富的沙源,同时也具备了沙尘暴迅速增强的条件:阿尔泰-萨彦岭南侧的峡谷地形强迫形成峡谷急流,明显增强了该区域地面风速;萨彦龄山地南坡携带大量沙尘的向南下坡气流遇到东-西向的峡谷气流时受到阻挡形成聚集;同时,这一地区起伏的地表产生的地形波加强了地面起沙.这种大量沙尘在大气中聚集之后再进行传输的特征可以视为在大气中形成了沙尘"中继站".导致沙尘进一步向东输送的地形因素是阿尔泰-萨彦岭山地南侧的峡谷地形,而萨彦岭山地南坡的下坡气流和青藏高原东北侧的地形强迫绕流是导致沙尘向南输送的原因.由于青藏高原地形绕流的强大以及冷锋过程的相对频繁使得沙尘的向南输送更为强盛,这也是青藏高原东北侧沙尘天气多发区的形成原因.     

华北强沙尘暴的数值模拟及沙源分析

首先对2000～2002年春季东亚沙尘天气进行了分析,结果表明有明显的日变化,沙尘暴下午最多,凌晨最少.然后,采用集成的沙尘天气预测系统对2001年4月6～10日、2002年3月19～22日发生的2次强沙尘暴过程进行了预测试验,将沙尘浓度的模拟结果与实况观测进行了对比.对沙源和起沙过程的深入分析表明:2次过程主要的沙尘源地是蒙古国南部,内蒙古中西部、河北北部、山西东北部、甘肃和青海北部等地区;起沙中贡献最大是粒径为2～μm和11～22μm的粒子,华北北部的荒漠化地区2～11μm 和11～22μm的起尘量相当,而内蒙古西部和蒙古国南部沙地附近的起沙以2～11μm为主,总的起尘量中2～11μm粒径组的贡献占90%以上.     

辽西北沙化土地起尘量估算及对沈阳大气环境影响的初步研究

辽西北沙化土地面积约为12368 km2。在大风条件下,沙地扬起大量沙尘,在本地和大风经过的地带形成沙尘天气。利用US EPA推荐的地面起尘的半经验公式,估算了辽西北沙地地面尘的排放总量和各季节的排放量。结果表明:辽西北地区起尘量(PM50)为1.38×105t/a,春季起尘量占全年的70.2%。同时以2004年气象资料和空气质量监测数据为基础,利用CALPUFF模拟系统对沈阳市空气质量进行模拟。定量解析了辽西北沙地可吸入颗粒物(PM10)对沈阳空气质量的贡献率,贡献率较大主要集中在春冬季,年平均贡献率为26.9%。%。     

风蚀起沙的影响因子及其变化特征

以敦煌地区的戈壁和绿洲为例,对地表土壤风蚀起沙的临界摩擦速度及其变化特征和风蚀起沙过程中地表土壤的粒子尺度分布及其对垂直尘粒通量的影响进行了分析研究。结果表明,地表土壤风蚀起沙的临界摩擦速度随土壤水分含量和植被覆盖度的增大而增大,随粒子尺度的变化是先减小后增大,在中间某一尺度处有一最小值;土壤的人工利用和管理对临界摩擦速度也有着相当大的影响,风蚀起沙过程中,地表土壤的粒子尺度分布随时间发生变化,瞬时的粒子尺度分布不同于平均的粒子尺度分布,利用前者计算得到的垂直尘粒通量对摩擦速度的变化更敏感,利用后者计算得到的垂直尘粒通量偏大。     

RegCM-Dust模式对东亚一次沙尘暴天气过程模拟的效果检验

为检验区域气候模式与沙尘模式耦合模式RegCM Dust的性能,以2006年东亚地区一次沙尘暴过程为例,将模拟结果与观测资料进行对比,以检验模式对沙尘天气过程的模拟能力。结果表明：模式对沙尘暴过程的地面风场特征模拟效果较好,总体上重现了大风区的分布;地面沙尘浓度和沙尘光学厚度模拟结果与观测分布总体吻合。模式虽然是区域气候模式与沙尘模式耦合模式,但由于其内核是建立在中尺度数值模式MM4基础上,因此对天气过程尤其是沙尘天气过程具备较好的把握能力,对于沙尘天气过程预测具有良好的应用前景。